物理宇宙學(xué)研究專題2014

物理宇宙學(xué)研究進(jìn)展曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院2014年11月現(xiàn)代物理學(xué)專題“四方上下曰宇，古往今來曰宙，以喻天地”。

－《淮南子·原道訓(xùn)》天地→宇宙→宇宙論→宇宙學(xué)

宇宙學(xué)：研究宇宙的起源、運(yùn)動、演化和歸宿。經(jīng)典宇宙學(xué)：牛頓引力理論為基礎(chǔ)，牛頓把地球上的引力與天體之間的引力統(tǒng)一，解釋了行星運(yùn)動?，F(xiàn)代宇宙學(xué)：愛因斯坦建立了廣義相對論，開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)研究。量子宇宙學(xué)：霍金的量子隧道創(chuàng)生?；艚鸬牧孔佑钪鎸W(xué)為宇宙的起源給出了合理的解釋，是真空漲落產(chǎn)生了宇宙大爆炸，并進(jìn)行了時光隧道的理論探討。參考書：物理宇宙學(xué)講義，北京大學(xué)，俞允強(qiáng)一、宇宙的形貌怎樣認(rèn)識宇宙？觀察!肉眼觀察人們用肉眼能看見的恒星約6000顆，夜晚好天能看到約3000顆，因?yàn)橄奶旌投炜吹降氖遣煌男强铡狞c(diǎn)點(diǎn)星空可以看到什么？星座

季節(jié)不同，天上的星星排列也不同。由亮星組成的圖形，結(jié)合神話故事，用人物、動物和器具命名。通過觀測定出了黃道,又把黃道(地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面與天球相交的大圓)分成12等份對應(yīng)12個星座。(黃道12宮)黃道12宮與中國24節(jié)氣的對應(yīng)關(guān)系太陽在12個月內(nèi)繞黃道運(yùn)行1周,在古人看來，太陽是至高無上的神，它休息的地方自然是金碧輝煌的宮殿。占星學(xué)說，把人格分為12大類分別與十二星座對應(yīng)。娛樂

1922年，國際天文學(xué)聯(lián)合會決定，將全天的星區(qū)劃分成88個星座。在天球赤道以北29個，在天球赤道以南46個，跨在天球赤道南北的有13個（每個星座實(shí)際所占黃道不均等，多了蛇夫座介于射手座和天蝎座之間）。

21世紀(jì)的黃道星座與占星學(xué)已不一致，由于地軸的變動，太陽系的移動及各恒星本身的運(yùn)動等原因，每隔二千多年，太陽到達(dá)每一宮的時間便會推遲約一個月?，F(xiàn)時的春分點(diǎn)并不在白羊座，已經(jīng)退到雙魚座了。實(shí)際上，用24節(jié)氣表示更準(zhǔn)確?？茖W(xué)觀察:十七世紀(jì)，伽利略、牛頓發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，宇宙觀測的范圍更大、更準(zhǔn)確。當(dāng)今已有大口徑配有極靈敏接受器的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

大型射電天文望遠(yuǎn)鏡(366米)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(2.4米)儀器觀察、太空考察科學(xué)觀察:十七世紀(jì)，伽利略、牛頓發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，宇宙觀測的范圍更大、更準(zhǔn)確。當(dāng)今已有大口徑配有極靈敏接受器的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

天文觀測已觸及到距地球100億光年以外的遙遠(yuǎn)天體，從河外星系到宇宙塵埃都可以一覽無余。嫦娥五號試驗(yàn)器拍攝的地月照儀器觀察、太空考察儀器觀察依據(jù)的主要原理是什么？它可以獲得宇宙天體的哪些數(shù)據(jù)？第一部分宇宙天體的測量原理獲得天體信息的手段電磁輻射和萬有引力電磁輻射：研究天體最基本和最重要的渠道絕大部分天文探測成果來自于電磁輻射.根據(jù)波長,電磁波依次分為伽瑪射線、X射線、可見光、射電波。光學(xué)窗口：3000～7000埃，紅外窗口：8～13μ，射電窗口：10MHz~300GHz1.通過恒星光譜分析恒星物質(zhì)組成發(fā)射光譜（暗背景），吸收光譜（強(qiáng)背景）通過光譜分析推測恒星表面溫度黑體輻射＝＞維恩位移定律λmaxＴ=0.29物體的溫度越高，它的光譜就越藍(lán)，反之就越紅

3.三角法測量距離

半年前后對待測恒星的視位置作兩次測量，即可定出角度p，稱為視差。再根據(jù)日地距離r可得恒星的距離d為：

視差角度

，相應(yīng)的距離＝3.1x1016m，稱為1秒差距，記作1pc。秒差距為距離單位，角度用秒作單位。距離公式：1pc=3.26光年，例：某恒星的視差為0.1”，它距離我們10pc，即32.6光年。局限性：地面觀測，地球公轉(zhuǎn)軌道直徑作基線，測量恒星距離的范圍大約100pc。1光年（ly）＝9.04605536×1015米(9萬億公里)＝63239.08AU1天文單位（AU）＝1.496×1011米(1.496億公里,平均日的距離)1秒差距（PC）＝3.085678×1016米(30萬億公里)＝3.261631ly光度L：單位時間內(nèi)恒星輻射的能量(光子數(shù))。視亮度B：單位時間內(nèi)、單位面積上地球上接受到的光能。L和B的關(guān)系：

恒星視亮度B比較容易直接測量，若知道其光度L，便可求待測恒星的距離。三角法已測定近距離的幾千顆恒星，測量它們的視亮度B和光度L。研究這些恒星的其它性質(zhì)和它們的光度之間的關(guān)系，得到它們之間的規(guī)律。利用這些規(guī)律，通過待測恒星的光度確定其距離。4.光度法測距（更遠(yuǎn)的恒星）主星序：大部分恒星分布在一條從左上到右下的窄帶上，當(dāng)氫耗盡后，星序就離開主星序。如紅巨星、白矮星則偏離。主序星：處在主星序的恒星。恒星星光的光譜→其表面溫度再利用赫羅圖→它的大致光度根據(jù)觀測到的視亮度→它與我們的距離這種方法受到恒星光度的限制，太遙遠(yuǎn)恒星，視亮度很低，以至我們觀測不到或者觀測誤差太大。能測量的距離<105pc，能測出銀河系中大多數(shù)恒星的距離。

變星：夠觀測到亮度變化的恒星。

食變星實(shí)際上是雙星系統(tǒng)造成的，兩顆星彼此繞著對方旋轉(zhuǎn)，其軌道面恰好和它們與地球的聯(lián)接平行。這樣，當(dāng)比較暗的一顆星轉(zhuǎn)到比較亮的那顆星和我們地球之間的時候，就把亮星的光遮住了一部分，于是總的亮度就減退了。當(dāng)這顆暗星轉(zhuǎn)到亮星的一旁或后面，不再遮光的時候，系統(tǒng)又恢復(fù)了最大觀測亮度。

脈動變星（造父變星）的變光現(xiàn)象，是由它自己體積變化造成的，如仙王座造父一的直徑是我們太陽的30倍，約4000萬公里。它就像人體的心臟一樣，總在不停地搏動——膨脹與收縮，直徑前后相差達(dá)500萬公里。膨脹時它的亮度就減弱，收縮時亮度就增加，搏動的周期也就是它亮度變化的周期。利用周期性脈動變星測距（光度法）麥哲倫星云中25個造父變星：1912年,Leavitt得到不同變星的光變周期與其光度有確定的關(guān)系造父變星的光變周期與光度有確定關(guān)系，光度通常很大，約比太陽亮5個量級，這種方法能測量的距離比主序星大很多，達(dá)到10Mpc的范圍（遠(yuǎn)處星系中周期性脈動變星→測出其距離，同時可得到該星系離我們的距離，因?yàn)橐话阈窍档拇笮∨c這距離相比小的多）。因此，造父變星是一種星系距離標(biāo)志器--量天尺。

5.超新星作距離標(biāo)志物Ia型超新星是由白矮星和它的伴星組成的雙星系統(tǒng)，白矮星不斷從伴星吸積物質(zhì)，當(dāng)其質(zhì)量增加到約1.4倍太陽質(zhì)量(錢德拉塞卡極限)，白矮星的簡并電子態(tài)物質(zhì)承受不住巨大壓力，開始塌縮，內(nèi)部核心處的碳氧開始聚變，形成10億度高溫并放出超巨量的能量，整個白矮星就像炸彈一樣猛烈的爆發(fā)，噴出的物質(zhì)達(dá)到3%光速，光度是太陽的10億倍。正因?yàn)樗偸前l(fā)生在幾乎相同的質(zhì)量條件下，Ⅰa型超新星（光譜中沒有氫原子特征光譜，有獨(dú)特的光度曲線）就幾乎具有標(biāo)準(zhǔn)燭光的性質(zhì)，同時又是極強(qiáng)的光源。6.光度法測恒星大小星等：最初分為六等（1-6），1等最亮，6等最暗，1等星的亮度是6等星的100倍。后來有了嚴(yán)格的星等數(shù)學(xué)表達(dá)式，超出了1-6的范圍，總之，星等越小，亮度越高，如Ia超新星爆發(fā)的星等為-19。肉眼看到星：1等：22個，2等：71個，3等：190個，4等：610個，5等：1929，6等：其余。恒星大?。汉阈前霃降膶?shù)與絕對星等和溫度的對數(shù)之和成正比。赫羅圖給出了恒星的溫度與亮度的關(guān)系。

目視星等和絕對星等的轉(zhuǎn)換公式：M＝m＋5－5logd，M為絕對星等;m為目視星等;d為距離。（絕對星等：假想把星體放在距離10秒差距遠(yuǎn)的地方，所觀測到的視星等）7.利用光度測定宇宙的物質(zhì)密度

設(shè)M為星系質(zhì)量，L為星系光度，V為體積，N為V內(nèi)含有的星系個數(shù)，則平均密度為引入質(zhì)光比

M/L，平均密度可寫為宇宙中的平均光密度式中Lsun為太陽光度。8.動力學(xué)方法確定星系質(zhì)量假設(shè)物質(zhì)為球?qū)ΨQ分布，則這里v為旋轉(zhuǎn)速度，M為半徑r內(nèi)的質(zhì)量。引力勢能為引入有效半徑Reff,則,其中M為待確定的星系質(zhì)量，因此，σ為星系內(nèi)物質(zhì)的速度分布，動能為

第二部分宇宙形貌與恒星演化地球月球一、地月系統(tǒng)地球質(zhì)量M＝5.9742×1027克（81.29倍的月球質(zhì)量）地球體積＝1.0832×1021立方米（51.58倍的月球體積）地球平均密度＝5.518克·厘米-3（月球平均密度＝3.3克·厘米-3）平均軌道速度＝29.79公里／秒（月球平均軌道速度＝1.011公里／秒）月地平均距離＝384401公里=30.134地球赤道直徑地球赤道半徑=6378.155公里(赤道周長＝40075.13公里，3.7倍的月球半徑)地球年齡～46億年

二、太陽系有八大行星，還有上百顆衛(wèi)星、為數(shù)眾多的小行星、奧爾特云（半徑為5萬～10萬個天文單位的球形云團(tuán)），大量彗星皆是來自該星云。地球軌道的遠(yuǎn)點(diǎn)(7月初)1.52億公里，近點(diǎn)(1月初)1.47億公里。冥王星軌道半徑約69億公里。太陽的結(jié)構(gòu)和參數(shù)太陽直徑1,391,980km(109R地)質(zhì)量1.99*1033g(33萬Ｍ地)平均密度1.41g/cm3光度3.83*1033erg/s自轉(zhuǎn)周期～25days公轉(zhuǎn)周期200萬地球年線速度19.7公里／秒表面溫度5,800K視星等-26.7絕對星等+4.8日地距離149597892km=1AU太陽年齡54.5億年太陽的輻射功率

太陽是一個直徑約140萬公里的巨大火球，根據(jù)太陽光度，可以推算每秒鐘向四周輻射放出的能量有3.83×1026焦，根據(jù)地球截面可求得到達(dá)地球的能量約占其總輻射量的20～22億分之1(約為182×1017焦，全年合5.74×1024焦，這相當(dāng)于現(xiàn)今地球上總發(fā)電量的10萬倍)。

貝特研究恒星能量生成問題，提出核聚變模型，氫燃燒形成氦4HHe。He核質(zhì)量=3.97mp能量釋放E=0.03mpc2，釋放出的能量從核區(qū)向外傳播，輻射壓抗拒引力，而使主序星處于平衡狀態(tài)。核聚變溫度：，聚變率對溫度非常敏感，溫度增加一點(diǎn)，聚變率增加很多。貝特也因此獲得了1967年的諾貝爾物理學(xué)獎。

太陽能量來源：太陽內(nèi)部每秒鐘以6.56億噸之多的氫轉(zhuǎn)變?yōu)?.525億噸氦灰，其中3.5*106噸按質(zhì)能關(guān)系轉(zhuǎn)化為能量，太陽中有1027噸氫，其中10%的氫足夠熱而發(fā)生核聚變。根據(jù)太陽質(zhì)量及核聚變反應(yīng)速率，估計(jì)太陽的年齡至今已有49億年，大約在約五十億年內(nèi)這程序?qū)㈤_始加速，預(yù)計(jì)太陽燃燒氫而發(fā)光的壽命約為1010年。若乘人類發(fā)射的最快宇宙飛船（“旅行者”號速度是每小時5.2萬公里)到比鄰星去旅行，來回一次就得17萬年。牛郎星、織女星相距16光年。太陽系外較近的幾顆恒星比鄰星，半人馬座，離我們最近的恒星，為4.22光年，大小約為太陽的1/7，紅矮星(亮度弱，肉眼觀測不到)，表面溫度：2670K-3100K。天狼星，大犬座，肉眼能看見的最亮的恒星，約為太陽大小的２倍，表面溫度

9940K，距離8.6光年?？椗?，天琴星座，大小是太陽的3倍，距離約有27光年。牛郎星，天鷹星座，是太陽的1.6倍，距離約有16光年。1755年，Kant(德)認(rèn)識到銀河系是恒星組成的旋轉(zhuǎn)扁盤，是“宇宙島”之一。1785年，Herschel（英）通過不同方向的恒星密度，得到第一幅銀河系整體圖像。銀河系為扁盤狀，太陽位于中心附近。三、銀河系銀河系示意圖銀河系的外形象中間厚邊緣薄的扁平盤狀體,包含有幾千億顆恒星,其中約400億顆星集中在直徑為3000光年的中央核球上，由年齡超過100億年的老年星球構(gòu)成。銀河系的歷史已經(jīng)有約120億年。正常星系含有～1011恒星暗物質(zhì)暈，質(zhì)量1012Msun中心大質(zhì)量黑洞106～109Msun銀盤直徑=10萬ly（中央厚約1萬ly）銀河系總質(zhì)量=2×1012倍太陽質(zhì)量太陽到銀心的距離=26,000光年太陽附近銀河系的自轉(zhuǎn)速度=222±20公里/秒太陽處銀河系旋轉(zhuǎn)周期≈2.20×106年相對于3K背景的運(yùn)動速度≈600公里/秒（通過不同方向微波背景的多普勒效應(yīng)測量）法國屬地留尼汪島上一個火山湖附近（海拔超過3000米）潔凈無云的夜晚拍銀河的照片。銀河系核心區(qū)域(300X115光年)紅外光照片揭示了銀河系中心區(qū)域充滿了熾熱的氣體、塵埃物質(zhì)和超大質(zhì)量恒星，可能還存在一個質(zhì)量大約相當(dāng)于400萬個太陽的超大黑洞。在可見光波長下,這一區(qū)域是看不見的(可見光波長多被塵埃物質(zhì)吸收)。

四、河外星系

1885年人們在“仙女座大星云”中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)許多超新星，意識到它離我們十分遙遠(yuǎn)，應(yīng)該在銀河系之外。實(shí)際上，并非天穹上一切發(fā)光體都是銀河系的一部分，天穹上的大多數(shù)光點(diǎn)是銀河系的恒星，但也有相當(dāng)大量的發(fā)光體是與銀河系類似的巨大恒星集團(tuán)，稱它們?yōu)楹油庑窍?，現(xiàn)在已知道存在1250億個以上的星系。

仙女星系（M31）仙女座河外星系的構(gòu)造與銀河系類似，有密集的核、旋臂、星系盤和星系暈，距離地球220萬光年，直徑約為16萬光年，包含有3-4千億顆恒星，還有許多變星、星團(tuán)和新星等特殊天體。我們在夜空中見到的是220萬年前的仙女座大星云。NGC1309星系波江座中200個星系中的一個，距地球約１億光年。2005年9月哈勃拍攝。由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡于2004年拍攝位于波江座的星系NGC1300，直徑大約6900光年（21Mpc）。渦狀星系(M51)的照片

一條旋臂正伸向近旁一個較小的伴星系，它巨大的引力正將后者撕裂。兩個星系距離地球約2000萬光年，它們太過遙遠(yuǎn)，肉眼是無法看到。然而借助長時間曝光技術(shù)，得以欣賞它們的美麗身影,而旋臂中的氫氣讓它顯出從粉紅到偏紅的色調(diào)?？茖W(xué)家觀測到2.8億光年外四星系碰撞

五、星系團(tuán)

當(dāng)我們把觀測的尺度再放大，宇宙可看成由大量星系構(gòu)成的“介質(zhì)”，而恒星只是星系內(nèi)部細(xì)致結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。為了了解宇宙結(jié)構(gòu)，需關(guān)心星系在空間的分布規(guī)律。

星系的空間分布有成團(tuán)現(xiàn)象。上千個以上的星系構(gòu)成的大集團(tuán)叫星系團(tuán)。大約只有10%星系屬于這種大星系團(tuán)。大部分星系只結(jié)成十幾、幾十或上百個成員的小團(tuán)?？梢钥隙ǖ氖?，星系團(tuán)代表了宇宙結(jié)構(gòu)中比星系更大的一個新層次。這層次的尺度大小為幾百萬光年，平均質(zhì)量是星系平均質(zhì)量的100倍。本星系群

(LocalGroup):超過~30個星系，包括銀河系，仙女星系,

大麥哲倫云,小麥哲倫云等。長蛇座(Hydra)中距離至少為3億光年的星系群。攝于1999年1月12日。星系群NGC5985。原子核人地球太陽太陽系

銀河系星系團(tuán)超星系團(tuán)哈勃半徑10－15100106～710910131021102310241026星系團(tuán)：M～1015Msun（一般星系～1011Msun）

室女星系團(tuán)(Virgocluster):

大約包含2000個星系

星系團(tuán)尺度約1300萬光年距離地球約6000萬光年是離地球最近的一個星系團(tuán)本星系群受其強(qiáng)大的引力作用哈勃半徑是指望遠(yuǎn)鏡可能觀測到的觀測半徑，大致為200億光年的距離。這個半徑以外的星系以光速退離我們，無法觀測。

美最近公布了132億光年外迄今最遠(yuǎn)宇宙深空圖像，哈勃望遠(yuǎn)鏡在過去10年間不斷重復(fù)地對南部天空的一處區(qū)域進(jìn)行曝光觀察，前后總耗時大約50天，總曝光時間約合200萬秒。在極超深場的圖像中，認(rèn)證出其中最年輕的星系誕生于宇宙僅有4.5億年歷史的時期。覆蓋的天空區(qū)域僅僅相當(dāng)于一個滿月張角的很小一部分，但仍然包含了多達(dá)5500個星系天體目標(biāo)，其中最暗弱星系的亮度僅有人類肉眼可見最暗弱天體亮度的億分之一。從近距離觀測宇宙時，物質(zhì)會組成恒星、星系和星系群。如果把視野拉遠(yuǎn)，宇宙看起來會更加平滑，就像從飛機(jī)上看地面時景觀會交融在一起一樣。1秒差距(PC)＝30.8萬億公里＝3.261631光年

1Mpc=326萬光年500Mpc=16.3億光年＝146萬億億公里六、宇宙物質(zhì)的構(gòu)成（１）普通物質(zhì)（已認(rèn)識的，有基本粒子構(gòu)成）占宇宙物質(zhì)的4%。按元素分：氫和氦占99%(氫占3/4，氦占1/4)，

其余元素物質(zhì)1%。按亮暗分：發(fā)光物質(zhì)：10%(恒星、發(fā)光氣體和輻射）不可見的物質(zhì)：90%（星系際氣體、中微子、黑洞）

(2)暗物質(zhì)暗物質(zhì)：23%暗物質(zhì)無法直接觀測到，但我們可以看到它的引力的效應(yīng)。測量星系的運(yùn)動情況，發(fā)現(xiàn)幾乎所有星系中星云的運(yùn)動速度都不隨半徑而改變，若按照普通物質(zhì)的量來計(jì)算，星系旋轉(zhuǎn)速度屬于反常現(xiàn)象?？赡艿慕忉專阂次锢韺W(xué)定律出錯，要么存在未知的物質(zhì)。

猜測：一是重子，二是中微子，三是軸子等，正在進(jìn)行著各種實(shí)驗(yàn)，試圖找到這種暗物質(zhì)粒子?？茖W(xué)經(jīng)驗(yàn)告訴我們，物理學(xué)定律在宇宙中是具有較好的普適性的，于是暗物質(zhì)自然成為科學(xué)重點(diǎn)探討的對象。暗物質(zhì)究竟是什么成分呢？問題:“暗物質(zhì)”太多了，大大超出了理論允許的范圍。如果暗物質(zhì)確實(shí)存在，它在宇宙中的地位和作用將比可見物質(zhì)更重要。

暗物質(zhì)分布圖

（３）暗能量（未知）占宇宙物質(zhì)的73%。

七、恒星的演化

處于主星序階段的恒星，核聚變主要在它的中心（核心）部分發(fā)生。輻射壓與它自身收縮的引力相平衡。核反應(yīng)：T<1.8*107K,M<1.2Msun能量釋放：γ光子，中微子，正電子。產(chǎn)能率：1H+1H==>2H+e++ν2H+1H==>3He+γ3He+3He==>4He+1H+1H

流體靜力平衡質(zhì)量球?qū)ΨQ分布：

引力氣壓平衡方程：m(r)為r內(nèi)的質(zhì)量，ρ為密度，p為壓強(qiáng)，G為引力常數(shù)。

核區(qū)氫燃燒盡后，沒有足夠的壓強(qiáng)抵抗引力，核區(qū)塌縮而被加熱,熱向外釋放，核區(qū)進(jìn)一步塌縮，溫度進(jìn)一步增高，直至新的核反應(yīng)發(fā)生。

41H

4He

(1Msun10*109年）34He12C

(1Msun2*109年）

12C+4He16O

12C+12C24Mg

……56Fe(大質(zhì)量恒星，持續(xù)時間很短）壽命：恒星維持穩(wěn)定發(fā)光的時間。決定恒星壽命的因素只有一個：質(zhì)量！質(zhì)量愈大,壽命愈短！如海山二（太陽質(zhì)量的150倍），壽命只有100多萬年。紅巨星（redgiantstar)核區(qū)氫耗盡，塌縮、加熱。圍繞He核的氫殼層區(qū)被加熱發(fā)生核聚變。其劇烈的氫燃燒使得星體外部膨脹、變冷、變亮、變紅----紅巨星。核區(qū)外氫殼層燃燒內(nèi)部：變熱，He殼層、H殼層燃燒外部：膨脹、變冷，包裹著C-O核的外層區(qū)域膨脹形成星云，星云被電離、加熱。在～104年的時間尺度上外層膨脹，剩下裸C-O核和電子?！装前装?/p>

（whitedwarf）

（演化末期質(zhì)量M<1.2Ms）

在恒星衰老的過程中，恒星內(nèi)部的密度愈來愈大，恒星內(nèi)部半徑愈來愈小。這些重元素外層有許多電子，在高溫高壓下，這些電子將全部電離為自由電子，形成簡并電子氣體，電子之間的排斥力（簡并壓）抵抗引力形成動力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這就是白矮星。在天文觀察上已得到證實(shí)，宇宙中存在著許多白矮星，其質(zhì)量一般小于太陽的質(zhì)量，其平均密度約106克/厘米3。高溫度（從幾十萬K到幾千K），發(fā)光白亮，強(qiáng)度小。因?yàn)闆]有能量的來源，它將會逐漸釋放熱量變冷，冷卻到光度不再能被看見→冷的黑矮星。天狼星A(恒星)年齡

2-3×108

年，天狼星A會在其形成之后10億年之內(nèi)用盡儲存在核心的氫。1844年，天文學(xué)家從天狼星運(yùn)行的異常軌跡而推測它擁有另一顆看不見的伴星,1862年被證實(shí)。天狼伴星B(白矮星)，質(zhì)量比太陽稍大,而半徑(4828千米)比地球還小,質(zhì)量是地球的35萬倍,它的物質(zhì)主要處于簡并態(tài),平均密度約3.8×106克/立方厘米，表面重力加速度是地球表面的3億倍。由于在內(nèi)部已經(jīng)沒有能量的生成,剩余的熱量會以輻射的形態(tài)放射出外太空,天狼星B終究會逐漸冷卻變?yōu)楹诎?需時多于2億年。天狼A和天狼B之間的距離近點(diǎn)是12億公里，遠(yuǎn)點(diǎn)是47億公里。質(zhì)量

2.02(A)/0.978(B)M☉半徑

1.711(A)/0.0084(B)R☉表面重力

(logg)4.33(A)/8.57(B)

亮度

25.4(A)/0.026(B)L☉溫度

10500(A)/25200K(B)

對于更大質(zhì)量恒星,恒星衰老后內(nèi)核有更大的引力，電子的簡并壓強(qiáng)不足以與自引力抗衡，星球還會繼續(xù)坍縮，強(qiáng)大的壓力把原子核外的所有電子都擠進(jìn)原子核里，與質(zhì)子結(jié)合成中子。這樣星球外部的物質(zhì)幾乎變成由中子組成的流體，中子之間的排斥力比電子的要大得多，它與強(qiáng)大的引力相抗衡，這種高密度中子態(tài)物質(zhì)組成中子星，其物質(zhì)密度高達(dá)1015克/厘米3，如果將地球壓縮成這一密度的球體，半徑只有110米。典型的中子星質(zhì)量為1.4～3.2M⊙。半徑R～

10km，中子星的產(chǎn)生伴有超新星的產(chǎn)生。天文觀測上的脈沖星就是中子星。當(dāng)恒星收縮為中子星后，會形成自轉(zhuǎn)磁性體，能達(dá)到每秒幾圈到幾十圈，在它的某一部分向外發(fā)射出電波。各種脈沖星的周期不同，0.1秒－幾秒。中子星（1.2Ms<M<3.2Ms）當(dāng)恒星質(zhì)量M>25M⊙，衰老后再也沒有任何物理機(jī)制或能量來抵抗自引力，星體將不可阻擋地塌縮、加熱，最終發(fā)生災(zāi)變性塌縮，引起超新星爆發(fā)，演化為黑洞。黑洞的質(zhì)量M>3.2M⊙?；艚鹪诶碚撋献C明了宇宙中存在黑洞是可能的。也許夸克打破了中子，但卻被禁閉在整個星體之中，好象是裝在容器中的夸克湯，人們形象地稱之為夸克星。根據(jù)理論計(jì)算，宇宙中密度最大的實(shí)體應(yīng)是“黑洞”，為1.8×1025克／厘米3。按這個密度計(jì)算地球半徑僅有4.3厘米。超新星爆發(fā)史書記載的超新星爆發(fā)（客星）有12次，可見持續(xù)時間由幾個月到一兩年。超新星爆發(fā)時的亮度相當(dāng)于太陽正常發(fā)光的數(shù)萬億倍。爆炸如此劇烈，即便發(fā)生在距離地球幾十光年遠(yuǎn)的地方，它迸發(fā)出的光芒也足以烤焦我們的地球。1970年觀測到的一顆超新星，在爆發(fā)后的30天中直徑以5000千米/秒的速度膨脹，最大時達(dá)到3倍太陽系直徑。在這之后直徑又開始收縮。理論而言，質(zhì)量介于太陽的8～25倍之間的恒星會在一場超新星爆炸中結(jié)束自己的生命。當(dāng)這顆恒星耗盡所有可用的燃料，它就會突然失去一直支撐自身重量的壓力，核心瞬間被壓縮，核心直徑減小，產(chǎn)生巨大能量，反彈能量被釋放，星核與星殼分離，產(chǎn)生X光爆，10億倍恒星的亮度，可維持幾個月，拋射大部分能量，釋放大量的能量。孕育新一代恒星及周圍行星的原始材料。它的核心坍縮成為一顆中子星或者黑洞。據(jù)天文觀察統(tǒng)計(jì)，在宇宙中每個星系大約數(shù)百年出現(xiàn)一個超新星。按照此數(shù)據(jù)，宇宙之中可能有上億個黑洞。

黑洞的概念1783年，英國自然哲學(xué)家米歇爾把光速有限與牛頓的逃逸速度的結(jié)合，發(fā)現(xiàn)了引力的最富魅力的結(jié)果，預(yù)言了黑暗星的存在。1939年，奧本海默等通過高度理想化計(jì)算證明塌縮恒星形成暗星（后來這種暗星被稱為史瓦西黑洞）。1967年才提出了黑洞這一名詞。黑洞是質(zhì)量很大的暗天體，與一切可見天體相比，黑洞正是最強(qiáng)的引力場源，能把任何東西都裹卷其內(nèi)，光線也不能幸免。黑洞中心體積很小密度極大，其周圍空空如也的天區(qū)。

視界:黑洞的邊界稱為視界(光在視界上作環(huán)繞運(yùn)動)。

視界以內(nèi)的區(qū)域稱為黑洞。視界半徑

黑洞的性質(zhì):從黑洞得不到任何信息,具有負(fù)的熱容量，時空互換，黑洞的”粒子”可以通過一種量子隧道過程蒸發(fā)出來(霍金)。其實(shí)黑洞長著三根毛:質(zhì)量M、角動量J、電荷Q。

黑洞有三種類型，一種是位于星系中央的“超級黑洞”其質(zhì)量為太陽的幾百萬～幾十億倍（視界半徑大約是數(shù)百到數(shù)千萬公里，星系形成的初期形成），另一種是恒星級的黑洞，其質(zhì)量大概有數(shù)十個太陽左右（視界半徑只有數(shù)十或者數(shù)百公里，大質(zhì)量恒星的演化形成）。還有是介于兩者中間的“中等質(zhì)量黑洞。例如：銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞，約200萬個太陽質(zhì)量，視界約為780萬公里。通過其周圍恒星運(yùn)動和輻射觀測，“第一次看到如此接近黑洞中心的區(qū)域，也終于找到了迄今為止最令人信服的證據(jù)，支持了‘銀河系中心存在超大質(zhì)量黑洞’的觀點(diǎn)”（英國的《自然》）。對宇宙天體運(yùn)動規(guī)律和動因的研究：牛頓把地球上的引力與天體之間的引力統(tǒng)一，解釋了行星運(yùn)動。愛因斯坦建立了廣義相對論，開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)研究。

霍金的量子宇宙學(xué)為宇宙的起源給出了合理的解釋，是真空漲落產(chǎn)生了宇宙大爆炸，并進(jìn)行了時光隧道的理論探討。第三部分宇宙學(xué)研究介紹一、宇宙學(xué)的建立宇宙是由空間、時間、物質(zhì)和能量所構(gòu)成的統(tǒng)一體。宇宙學(xué)是研究這個整體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動和演化規(guī)律的學(xué)問。宇宙學(xué)作為一門科學(xué)，也必須在觀測事實(shí)的基礎(chǔ)上，建立一個系統(tǒng)的邏輯體系。怎樣建立這個體系？人們首先想到用牛頓力學(xué)和牛頓時空觀來建立這個體系。但是，人們很快發(fā)現(xiàn)，不論宇宙有限還是無限，牛頓力學(xué)和牛頓時空觀均不能作為研究宇宙的一個正確的科學(xué)框架。G=6.67×10-11N·m^2/kg^2銀河系2*1042kg仙女星系1043kg距離220萬ly=2*1022m

1915年，愛因斯坦提出了革命性的思想，認(rèn)為慣性力和萬有引力是等效的。萬有引力不是真正的力，而是時空彎曲的表現(xiàn)，這就是等效原理。地球上的自由落體運(yùn)動是慣性運(yùn)動；行星繞太陽運(yùn)動也是慣性運(yùn)動。

建立了廣義相對論－現(xiàn)代宇宙學(xué)理論。

四維時空的宇宙幾何和方程表示為：

m慣L?(t)=-m引gθ(t)宇宙學(xué)原理

宇宙在大尺度上是均勻及各向同性的，沒有任何一個觀測者在宇宙中占有特殊的位置（空間）。觀測支持“宇宙學(xué)原理”，那是以星系為“分子”的均勻稀薄氣體。物質(zhì)告訴時空怎樣彎曲，時空告訴物質(zhì)怎樣運(yùn)動。光束彎曲的實(shí)驗(yàn)觀察1919年日全蝕期間，證實(shí)了愛因斯坦關(guān)于光束從太陽近旁通過時要發(fā)生偏移的預(yù)言。廣義相對論效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)引力紅移時鐘的走速與引力場場強(qiáng)大小有關(guān)。例如，地球周圍，海拔越高鐘速越快，恒星的原子光譜線紅移，已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。(衛(wèi)星定位)水星近日點(diǎn)的進(jìn)動根據(jù)引力場方程計(jì)算得到的進(jìn)動速率與天文觀測值符合。愛因斯坦于1915年發(fā)表其廣義相對論時，還非?？隙ㄓ钪媸庆o態(tài)的。在他的方程中引進(jìn)一個所謂的宇宙常數(shù)來進(jìn)行修正。他引入一個“反引力”，這個力是無源的，是空間-時間結(jié)構(gòu)所固有的，它有空間-時間內(nèi)在膨脹的趨勢，剛好可以平衡宇宙間各物質(zhì)的相互吸引，結(jié)果形成了靜態(tài)的宇宙。

愛因斯坦宇宙模型的嚴(yán)重缺點(diǎn)是不穩(wěn)定。因?yàn)槲⑿〉臄_動會使宇宙收縮或膨脹。

1922年，弗利德曼認(rèn)為既然愛因斯坦的靜態(tài)宇宙是不穩(wěn)定的，也就沒有必要再假設(shè)宇宙是靜止的了。不妨假設(shè)宇宙就處在動態(tài)，至于是膨脹還是收縮，則要由觀測來決定。k=+1,封閉,有限;k=0,平直,無限;k=–1,開放,無限。宇宙的幾何可以表示為（四維時空）R(t):宇宙尺度因子，k:宇宙曲率

1.宇宙膨脹的實(shí)驗(yàn)觀察

1929年哈勃發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處星系的光譜譜線波長都比實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測得的同一條譜線的標(biāo)準(zhǔn)波長要長，發(fā)生了紅移，紅移量正比于星系離我們距離。如果把這個紅移看作由多普勒效應(yīng)引起，那么紅移表示的是星系在離我們遠(yuǎn)去，而且，愈遠(yuǎn)的星系退行速度愈大。二、宇宙膨脹模型的建立

第二類紅移

宇宙學(xué)紅移

它由于宇宙空間自身的膨脹所造成的，例如遙遠(yuǎn)星系離我們遠(yuǎn)去。這并不是因?yàn)樾窍翟诳臻g運(yùn)動，而是星系之間的虛無空間(嚴(yán)格說是時空)在膨脹。第一類紅移

多普勒紅移當(dāng)一個物體，比如一顆恒星，遠(yuǎn)離觀測者而運(yùn)動時，其光譜將顯示相對于靜止恒星光譜的紅移，因?yàn)檫\(yùn)動恒星將它朝身后發(fā)射的光拉伸了。第三類紅移引力紅移當(dāng)火箭在引力場中向上運(yùn)動時，它損失能量并減速。但光不可能減速;光永遠(yuǎn)以同一速率c傳播。既然光損失能量時不減速，那就只有增加波長，也就是紅移。

膨脹的宇宙

所有星系都離我們而去，這正好表現(xiàn)了宇宙正在膨脹。用氣球的膨脹來示意宇宙空間的膨脹，星系間的距離在不斷地擴(kuò)大。我們?yōu)槭裁锤杏X不到？有電、磁、引力作用的束縛體系不膨脹，否則，物理常數(shù)、物理定律也要隨時間演化。另外，膨脹的速度是在Mpc的尺度上。

74*3600*24*365/(106*3.36*63239)=0.011公里/年/天文單位

假定宇宙膨脹是等速的，我們就可以按此速度倒算回去，總有一天宇宙會收縮到密度、溫度都是無窮大的狀態(tài)，那就是宇宙誕生的時刻。

宇宙膨脹是等速的、減速的、還是加速的？2012年10月8日，據(jù)英國《每日郵報》報道，天文學(xué)家們最近給出了有關(guān)宇宙膨脹速度迄今最為精確的測量值（美國宇航局的斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡工作在波長較長的紅外波段，而不是可見光波段,其最新的測量數(shù)據(jù)將此前由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的一項(xiàng)類似觀測的精確度提升了3個數(shù)量級，將該數(shù)值的不確定性范圍降低至3%以內(nèi)）。74.3±2.1(km/s)/Mpc，其中Mpc為326萬光年。

美、澳兩個研究小組的三位天體物理學(xué)家用Ⅰa型超新星經(jīng)過諸多校正后作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光光源”進(jìn)行觀測，總共觀測了約50顆遙遠(yuǎn)的“超新星”，兩個課題組都發(fā)現(xiàn)那些遠(yuǎn)的Ⅰa型超新星的亮度比預(yù)期的更暗(即更遠(yuǎn))。并于1998年得到了一致的結(jié)論：宇宙的膨脹速度不是恒定的，也不是越來越慢，而是不斷加快。三位科學(xué)家因揭示宇宙命運(yùn)獲2011年諾貝爾物理學(xué)獎。

根據(jù)宇宙幾何方程要加速膨脹必須有大的負(fù)壓觀測結(jié)果：可見＝0.04c

（來自原初核合成）

可見?暗?c暴脹預(yù)言：total＝c可見是重子物質(zhì)，暗是暗物質(zhì)。還應(yīng)有什么成分？h~O(1)

暗能量是什么？--宇宙加速膨脹的動因!2003年，科學(xué)家們得以對超過44.6萬個星系進(jìn)行了全面而細(xì)致的研究，準(zhǔn)確得到了宇宙現(xiàn)今膨脹速度和宇宙年齡（137.3±1.2億年）。證實(shí)了一種被稱為暗能量的神秘力量不僅僅在驅(qū)動宇宙的擴(kuò)張，而且以更快的速度擴(kuò)張。暗能量的發(fā)現(xiàn)為2003年十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之首。

1917年愛因斯坦首次發(fā)表現(xiàn)代宇宙學(xué)奠基論文時，為了獲得靜態(tài)宇宙而曾引入代表斥力的宇宙學(xué)常數(shù)Λ。1929年哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹后，宇宙已經(jīng)不是靜態(tài)，愛因斯坦就放棄了這個常數(shù)。如今發(fā)現(xiàn)了加速膨脹，人們再一次領(lǐng)悟到，這個常數(shù)也許就是解讀此謎的一把鑰匙。宇宙學(xué)常數(shù)中包含的巨大潛在的真空能?一種變化的動力學(xué)場的能量?

暗能量是什么？暗能量是近年宇宙學(xué)研究的一個非常復(fù)雜的問題。這是又想到了宇宙學(xué)常數(shù)Λ！宇宙學(xué)常數(shù)Λ相當(dāng)于真空具有一個能量密度。人們稱這種真空介質(zhì)為暗能量。按照廣義相對論，不僅物質(zhì)的質(zhì)量，而且它的壓強(qiáng)，均可以產(chǎn)生萬有引力。通常的物質(zhì)，密度和壓強(qiáng)總?cè)≌?，因此它們均產(chǎn)生引力。宇宙膨脹是在加速的觀測事實(shí)表明，存在著一種很強(qiáng)的排斥力，它是否對應(yīng)著一種新物質(zhì)，它的壓強(qiáng)是負(fù)的。這種負(fù)壓強(qiáng)物質(zhì)就稱為暗能量。愛因斯坦的宇宙學(xué)常數(shù)Λ，也相當(dāng)于一種暗能量。三、宇宙起源的大爆炸模型

1946年美國科學(xué)家伽莫夫探討宇宙中的基本元素是怎樣形成的（氫占宇宙中普通物質(zhì)質(zhì)量的3/4，氦占1/4，而所有其它元素質(zhì)量的總和占不足1%），他認(rèn)為宇宙高溫起源于一次大爆炸，大爆炸以后,誕生了時間和空間、質(zhì)量和能量，隨著溫度的降低，不斷膨脹和演化,最終形成今天的宇宙。該模型的最大優(yōu)點(diǎn)是可以直接解釋天體的紅移現(xiàn)象,解釋宇宙中氫、氦的豐度值，此外該模型的理論預(yù)言5K的宇宙背景輻射溫度。宇宙由真空漲落產(chǎn)生，開端時間為普朗克時間宇宙初期溫度超過普朗克溫度

從普朗克時間10-43s到10-3s，宇宙溫度從1019GeV降到1TeV，這一段能級間的物理規(guī)律我們還不是非常清楚，只能推測可能發(fā)生的事件。按現(xiàn)在的研究，這階段應(yīng)發(fā)生過的事件有真空相變引起的暴脹、正反重子不等量的產(chǎn)生和冷暗物質(zhì)的形成等。

暴漲理論最初動機(jī)：標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)平坦性和均勻性;機(jī)制：宇宙甚早期以e指數(shù)的形式膨脹,抹去了宇宙之前的歷史;暴脹結(jié)束后宇宙變得非常的平坦和均勻;暴脹還很好的解釋了結(jié)構(gòu)起源問題。暴脹時期量子漲落導(dǎo)致的密度微小起伏?，F(xiàn)有粒子理論：正反重子（質(zhì)子、中子）應(yīng)該是對稱的，宇宙早期產(chǎn)生的正反重子數(shù)應(yīng)該相同，而且在某一時刻將湮滅成光子；到目前為止還沒有觀測到由反物質(zhì)組成的天體存在（Alpha磁譜儀）猜想解釋：正反物質(zhì)并不守恒，宇宙早期所產(chǎn)生的重子和反重子的數(shù)量并不相同，重子的數(shù)目要多于反重子；差別甚小，約為10負(fù)9次方。核合成時期之前：湮滅后只剩下核子而沒有反核子，且光子數(shù)是核子數(shù)的10的9次方倍。對基本粒子理論的挑戰(zhàn):還沒有理論能說明宇宙早期正反重子不對稱性，也沒有一個成功的統(tǒng)一理論，現(xiàn)在粒子實(shí)驗(yàn)的能標(biāo)還是太低。2010年的十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)：美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)離子碰撞過程中物質(zhì)比反物質(zhì)多1%。就是這一微小差額創(chuàng)造了宇宙。原初核合成宇宙早期由中子和質(zhì)子合成各種元素原子核的過程主要發(fā)生在宇宙年齡為3分鐘到1小時之間。質(zhì)子和中子碰撞結(jié)合成最簡單的原子核—氘氘的結(jié)合能是2.2MeV，高能光子（＞2.2MeV）可以把氘核瓦解。宇宙溫度足夠高，此過程是可逆的。只有當(dāng)宇宙溫度降到大部分光子的能量都比2.2MeV小,氘核的數(shù)量才可以大量增加。宇宙溫度降到0.1MeV，氘核的光分裂實(shí)際上失效，此時的宇宙年齡為3分鐘，核合成的開始。氘合成開始，后繼連鎖反應(yīng)就能接著發(fā)生原初核合成只產(chǎn)生了元素周期表前三種元素及其同位素，質(zhì)量為５和８的核沒有穩(wěn)定和亞穩(wěn)的元素，不能生成更重的元素。核合成發(fā)生之前，宇宙中的中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)并不相同，質(zhì)子數(shù)要比中子數(shù)多，宇宙溫度T>1MeV時，質(zhì)子和中子能通過弱作用而相互轉(zhuǎn)化：這個相互轉(zhuǎn)化的過程非常頻繁，質(zhì)子和中子的數(shù)密度都滿足玻爾茲曼分布中子質(zhì)子質(zhì)量差:Δm=mn-mp=1.29MeV，由于中子比質(zhì)子重，所以中子比質(zhì)子少。退耦時（幾秒）T～0.5MeV，凍結(jié)后中子和質(zhì)子數(shù)比例約為1:7。5秒鐘0.5MeV，5*109K3分鐘0.1MeV，109K1小時0.02MeV，108K由核合成開始時nn/np的值,可以算出核合成結(jié)束后剩余的質(zhì)子數(shù)與產(chǎn)生的氦核數(shù)比例，即氫核和氦核的豐度。氦核豐度Y4：它在氣體中的質(zhì)量百分比

還需要作中子β衰變等修正。根據(jù)伽莫夫最初估算nn/np=1/7：大爆炸初期合成了1/4的氦。太陽系氦豐度的實(shí)際測量，Y4約比1/4略大。

宇宙年齡3分鐘，溫度10億度,質(zhì)子和中子不再有足夠的能量逃脫強(qiáng)核力的吸引；而自由中子的平均壽命不足一刻鐘，如果中子不能在遠(yuǎn)短于一刻鐘的時間內(nèi)成功躲進(jìn)氦核而成為穩(wěn)定中子，世界上將不再有中子，氫以外的所有其它一切元素均無法形成。

可見，理論算出來的3分鐘年齡和四分之一豐度這兩個數(shù)字是多么的合理。輕核素原初合成給宇宙大爆炸學(xué)說提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。一小時后，宇宙溫度降到0.02MeV(108K)，核與核的熱碰撞不再生成新的核，熱核反應(yīng)中止。原初核合成產(chǎn)生的主要化學(xué)組份是氫和氦。氦是核合成的主要產(chǎn)物，氫是核合成結(jié)束后所剩余的質(zhì)子。宇宙中存在的碳、氮、氧等更重的元素都是由恒星制造出來的。宇宙演化時間表宇宙年齡溫度狀態(tài)與過程0.01秒1011K一團(tuán)混沌1秒1010K出現(xiàn)電子、中子、質(zhì)子和它們的反粒子3分鐘109K形成復(fù)合原子核氦38萬年3000K出現(xiàn)原子，宇宙形成。

經(jīng)過近10億年的黑暗時代后出現(xiàn)恒星和星系。在大爆炸后的百萬分之一秒，宇宙已從比一個原子還小，膨脹到了太陽系的8倍大。在大爆炸后38萬年，宇宙已經(jīng)膨脹到銀河系的大小，溫度從數(shù)十億度冷卻到了幾千度。在大爆炸后的90億年，生命所需的所有元素都出現(xiàn)了。宇宙已經(jīng)發(fā)展成了一個浩瀚復(fù)雜的空間，擁有數(shù)十億個星系和無數(shù)恒星。在銀河系的一個寂靜的角落，一大團(tuán)塵埃和氣體開始聚集。它是一個大質(zhì)量超新星遺留下的碎屑。達(dá)到臨界質(zhì)量時，這團(tuán)碎屑開始猛烈燃燒，一顆恒星誕生了，它就是我們的恒星——太陽。宇宙年齡約為38萬年，宇宙溫度降到3000度左右時，其中帶正電的原子核將俘獲帶負(fù)電的電子而成為中性原子，這時宇宙變得透明，光輻射則遺留了下來，成為保持黑體譜形的背景輻射。由于宇宙一直在膨脹，遺留下來的背景輻射的波長也隨著增長，波長增長相當(dāng)于等效的溫度下降。并預(yù)計(jì)應(yīng)該存在不高于5K的背景輻射--熱大爆炸的遺跡。復(fù)合溫度Tr

3000K(宇宙年齡38萬年)

微波背景輻射實(shí)驗(yàn)觀察

1964-1965年彭齊亞斯和威爾遜在檢驗(yàn)接受衛(wèi)星微波信號的巨型天線的低噪聲性能時發(fā)現(xiàn)的。測量得到的溫度約3K。因此獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎。右圖是1989年11月宇宙背景探測者(COBE)衛(wèi)星的觀測結(jié)